變化環(huán)境下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對研究

黃 艷，李 昌 文，李 安 強(qiáng)，郝 振 純，閔 要 武，任 明 磊

(1.水利部長江水利委員會，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；3.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 4.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010； 5.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

大范圍持續(xù)強(qiáng)降雨產(chǎn)生的流域洪水災(zāi)害一直以來威脅著流域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，特別是超過流域防洪工程體系防御標(biāo)準(zhǔn)的洪水，甚至能給社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來毀滅性影響。例如1870年，長江流域發(fā)生了近800 a來最大的洪水，四川、湖北、湖南等省遭受空前罕見的洪澇災(zāi)害，洪水在松滋老城下10 km處的龐家灣黃家鋪處潰口，遂沖成松滋河，導(dǎo)致宜昌至漢口間約3萬余 km2平原地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重[1]；1931年，淮河流域發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，造成100多個縣2 100多萬人受災(zāi)，7.5萬人死亡，513余萬hm2農(nóng)田受淹，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5.64億銀元[2]；1998年，松遼流域發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，造成1 733萬人、494.5萬hm2農(nóng)作物受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失480.23億元(當(dāng)年價)[3]；2020年7月，長江中下游湖口附近河段，特別是鄱陽湖水系發(fā)生超過堤防設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水，致使僅江西省就有200多個洲灘民垸被淹，損失嚴(yán)重。因此，流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重、社會影響巨大，一直以來都是我國災(zāi)害防御的重點。同時，受氣候變化與人類活動的交互影響，21世紀(jì)全球年度洪水威脅較20世紀(jì)增加了4～14倍[4]，洪澇災(zāi)害進(jìn)入了多發(fā)、群發(fā)時期[5]，加劇了流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對的復(fù)雜性和艱巨性。因此，不斷提升流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害的防范和應(yīng)對能力，是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中一項重大而又艱巨的戰(zhàn)略任務(wù)。

2018年4月習(xí)近平總書記考察長江時強(qiáng)調(diào)要“認(rèn)真研究在實現(xiàn)‘兩個一百年’奮斗目標(biāo)的進(jìn)程中，防災(zāi)減災(zāi)的短板是什么，要拿出戰(zhàn)略舉措”。2018年10月在中央財經(jīng)委員會第三次會議上，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)“針對關(guān)鍵領(lǐng)域和薄弱環(huán)節(jié)，堅決推進(jìn)實施防汛抗旱水利提升工程”。時任水利部部長鄂竟平在2019年全國水利工作會議上提出，按照“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)要求，強(qiáng)化水旱災(zāi)害防御行業(yè)監(jiān)管的總體思路，堅持底線思維，嚴(yán)格落實責(zé)任，細(xì)化防御措施，有效防范風(fēng)險，全力保障防洪安全，補(bǔ)齊水旱災(zāi)害防御領(lǐng)域短板，全面提升水旱災(zāi)害防御能力。

我國主要流域大部分地區(qū)人口密集、發(fā)展變化迅速，洪水受下墊面變化和水利工程調(diào)度應(yīng)用影響大，超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對問題突出，現(xiàn)有理論和技術(shù)難以滿足其實時監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、災(zāi)害評估、風(fēng)險調(diào)控與綜合應(yīng)急等方面需求，面臨規(guī)律重新認(rèn)知、技術(shù)亟需提升和措施體系亟待完善等重大挑戰(zhàn)，其難度和復(fù)雜程度世界少有，相關(guān)研究成果距應(yīng)用需求仍有較大差距。發(fā)達(dá)國家由于人口相對較少，防洪措施體系相對完善，防洪標(biāo)準(zhǔn)高，流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對問題沒有我國突出，針對性研究不多?？傮w而言，國內(nèi)外對超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對理論障礙和技術(shù)問題均開展了不同程度的研究，但成熟可用的成果并不多見。我國對流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水演變規(guī)律及其致災(zāi)機(jī)理認(rèn)知不足，現(xiàn)有理論和技術(shù)難以滿足在實時監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、災(zāi)害評估、風(fēng)險調(diào)控與綜合應(yīng)急等方面需求。因此，開展變化環(huán)境下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水及其綜合應(yīng)對關(guān)鍵技術(shù)研究對于保障國家防洪安全、支撐經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義和科學(xué)價值。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 極端暴雨洪水演變規(guī)律及致災(zāi)機(jī)理

在氣候變化與高強(qiáng)度人類活動綜合作用下，極端氣象和水文事件時空格局發(fā)生了變異[6-8]，極端洪水發(fā)生頻次和強(qiáng)度加劇[9]，流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水演變和時空組合規(guī)律呈現(xiàn)出新的特點，水文序列的不一致性[10]導(dǎo)致流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水難以界定，應(yīng)對難度加大。國內(nèi)外對極端水文氣象事件的研究比較多，但針對流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水的研究很少，大多還是停留在防洪斷面超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急處理措施和對策的定性分析。在氣候變化下流域極端降水事件演變規(guī)律方面，雖然在流域的極端降水方面做了大量的研究，但是對未來氣候預(yù)估仍存在許多不確定性[11]，模式模擬的系統(tǒng)性偏差仍然較大。如何改進(jìn)傳統(tǒng)的預(yù)估計算方法，開發(fā)多模式降尺度模擬結(jié)果誤差訂正技術(shù)，客觀揭示氣候變化下極端降水事件演變規(guī)律與發(fā)展趨勢，減少不確定性亟待研究。同時，流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水演變規(guī)律及其致災(zāi)機(jī)理認(rèn)識還存在不足，雖然國內(nèi)外對極端洪水已有系統(tǒng)研究，但對氣候變化、下墊面變化特別是水利工程群組應(yīng)用等綜合影響下的設(shè)計洪水[12-14]及流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水機(jī)理研究仍然欠缺，針對流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水高強(qiáng)度、長歷時等特征，其致災(zāi)機(jī)理需進(jìn)一步研究。

1.2 極端洪水監(jiān)測與預(yù)報預(yù)警

流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生時，具有覆蓋氣象水文全方位的立體實時監(jiān)測體系是預(yù)報預(yù)警的基礎(chǔ)。超標(biāo)準(zhǔn)洪水具有極大的破壞性，往往會引起水情監(jiān)測設(shè)施損毀、常規(guī)監(jiān)測手段失效、信息傳輸不暢等問題。因此，傳統(tǒng)水文監(jiān)測方法無法解決高洪測量及堤防潰決洪水等應(yīng)急監(jiān)測問題，亟待研究超標(biāo)準(zhǔn)洪水非常規(guī)狀態(tài)水文監(jiān)測技術(shù)并構(gòu)建監(jiān)測機(jī)制。目前，美國地質(zhì)勘探局已研制出一種“非接觸法”流量測驗方法和儀器設(shè)備，正在研究利用空基遙感系統(tǒng)雷達(dá)測高技術(shù)測量河流水位，通過星載干涉合成孔徑雷達(dá)測量水面流速，進(jìn)而實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的流量信息測量。國內(nèi)研究了基于計算機(jī)圖像處理的水位與流速監(jiān)測[15]，推出了基于影像識別的水位監(jiān)測產(chǎn)品，但其監(jiān)測精度、環(huán)境條件適宜性等都有待提高。此外，面臨超標(biāo)準(zhǔn)洪水情景時，由于信息采集面廣，數(shù)據(jù)量龐大，亟需一個高效、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)融合處理解決方案。

國內(nèi)外在氣象-水文-水動力學(xué)耦合預(yù)報模型的研究和應(yīng)用方面均已取得豐碩成果，但極端降雨數(shù)值預(yù)報準(zhǔn)確率以及考慮堤防潰漫的洪水預(yù)報精度仍待提高，HEPEX、GEOSS、EFAS、澳洲氣象局、武漢大學(xué)等機(jī)構(gòu)采用水文集合概率預(yù)報技術(shù)提高了洪水預(yù)報精度[16-17]。在實時預(yù)報過程中，通常以干支流控制性河道監(jiān)測站及重要水庫作為預(yù)報節(jié)點，以串并聯(lián)的形式搭建洪水預(yù)報方案體系。由于流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水具有破壞力強(qiáng)、超堤防防御標(biāo)準(zhǔn)、高水位歷時較長等特性，除常規(guī)預(yù)報方案體系外，還需考慮蓄滯洪區(qū)和洲灘民垸運用、岸堤決口等諸多臨時突發(fā)節(jié)點水情變化影響，以準(zhǔn)確反映實時洪水預(yù)報所需的水文水力學(xué)邊界。因此，揭示堤防潰決機(jī)理，準(zhǔn)確模擬預(yù)測洲灘民垸和蓄滯洪區(qū)運用、潰壩潰堤所引起的洪水演進(jìn)規(guī)律變化，是解決流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水實時預(yù)報技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)難點之一。現(xiàn)有研究多側(cè)重土石壩和均質(zhì)土堤潰決[18-19]，而在實際防御洪水過程中通常會修筑子堤臨時加高堤防，高洪時期堤防通常具有明顯的二元結(jié)構(gòu)。因此，有必要對二元結(jié)構(gòu)非均質(zhì)土堤的漫溢潰決機(jī)理展開研究，建立預(yù)測模型。經(jīng)過多年的發(fā)展，模擬一般河道、蓄滯洪區(qū)內(nèi)是洪水演進(jìn)的一維、二維水動力模型已經(jīng)非常成熟，不僅國內(nèi)開發(fā)了許多模型[20-21]，國際上也有不少成熟的商業(yè)軟件，并已在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[22]。目前，潰壩洪水已能夠?qū)崿F(xiàn)較好模擬[23]，但復(fù)雜地形、多工程調(diào)控下的洪水模擬技術(shù)仍有待推進(jìn)。在水文氣象耦合的暴雨洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)方面，國內(nèi)外相關(guān)研究已取得了相當(dāng)豐富的成果，但是大多局限于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)、河道及水庫工程運行條件下的暴雨洪水模擬，在超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生時水流臨時進(jìn)入蓄滯洪區(qū)或堤防超高運行等稀遇工況下相關(guān)研究成果較少。總體來看，流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)尚缺乏針對性研究，預(yù)報精度亟待提升。

1.3 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害動態(tài)評估

超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害評估是進(jìn)行洪水風(fēng)險調(diào)控、采取綜合應(yīng)急措施的重要基礎(chǔ)與技術(shù)手段，但目前在時效性、準(zhǔn)確性、動態(tài)性等方面難以滿足風(fēng)險調(diào)控、綜合應(yīng)急管理等方面的實際需求。

從災(zāi)害監(jiān)測而言，國內(nèi)外洪災(zāi)監(jiān)測以采用衛(wèi)星影像資料進(jìn)行災(zāi)后評估為主，鮮有實時監(jiān)測，衛(wèi)星、雷達(dá)、影像等非接觸式監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些難題提供了機(jī)會[24-26]，但其準(zhǔn)確性、環(huán)境適應(yīng)性仍有待提高，且無法實現(xiàn)洪災(zāi)實時監(jiān)測。而無人機(jī)因其機(jī)動性、靈活性、安全性以及高分辨率的特點，在災(zāi)害監(jiān)測中應(yīng)用也越來越廣泛[27-28]。

風(fēng)險評估尺度方面，流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水具有洪水時間和空間尺度大，與洪水影響范圍和災(zāi)害損失風(fēng)險程度在流域?qū)用娑喑叨确植枷鄬?yīng)的特點。目前，國內(nèi)外對流域尺度、區(qū)域尺度超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害評估研究薄弱，模型和方法的研究都處于探索階段，對局部尺度超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害評估大都局限于針對特定洪水事件的、靜態(tài)的災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失后果評估。因此，不同空間尺度超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害影響計算方法是流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)損評估的重要組成部分。近年來國內(nèi)外眾多洪水模擬模型如丹麥的MIKE Flood等得到了廣泛應(yīng)用，但由于超標(biāo)準(zhǔn)洪水危害性大、影響范圍廣，需綜合考慮防洪工程體系聯(lián)合運用場景和復(fù)雜邊界[29]，增加了這些模型靈活應(yīng)用的難度，且實時調(diào)度管理決策時間緊張，因此，亟待進(jìn)一步提高模型的通用性和計算效率。

在防洪實踐過程中，需要根據(jù)洪水發(fā)生、發(fā)展過程和風(fēng)險變化范圍進(jìn)行洪水風(fēng)險動態(tài)評估，為洪水實時調(diào)度管理提供技術(shù)支持。目前，我國在洪水分析、災(zāi)害評估以及洪水風(fēng)險圖編制等方面有豐富的經(jīng)驗及技術(shù)積累，但制定的洪水場景一般以設(shè)計洪水和既定分洪位置參數(shù)等為計算情景，無法反映實時防洪管理中洪水形成和演變過程以及洪水災(zāi)害、風(fēng)險的動態(tài)變化；洪水風(fēng)險往往也只考慮洪水本身及其短期影響，未能將流域長期氣候氣象因子及洪水所處風(fēng)險階段所面臨的剩余未來風(fēng)險作為背景因素加以考慮，可能因忽略未來的風(fēng)險而造成風(fēng)險評估不完整；洪災(zāi)評估成果以洪水風(fēng)險圖為主要表達(dá)手段，且大部分僅展示洪水要素的危險性，較少疊加承災(zāi)體易損性，更無法提供面向超標(biāo)準(zhǔn)洪水演變?nèi)^程的時空態(tài)勢圖譜[30]，此外，可視化能力遠(yuǎn)不及交通等領(lǐng)域，且不能滿足流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害實時動態(tài)評估與風(fēng)險調(diào)控技術(shù)要求。

在災(zāi)害損失評估方面，流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水易造成大范圍受災(zāi)和次生災(zāi)害，目前洪災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失評估的技術(shù)比較全面系統(tǒng)，而間接經(jīng)濟(jì)損失評估和非經(jīng)濟(jì)損失方面的研究較少[31]?？傮w來看，國內(nèi)外尚未建立實用簡單且又能充分反映洪水風(fēng)險系統(tǒng)特性的洪水災(zāi)害評估指標(biāo)體系(包括輸入考慮變量、輸出風(fēng)險指標(biāo))，一些評估模型也存在計算量大、操作復(fù)雜、精度低、影響因素考慮不全等缺陷，難以精確快速定量評估洪水災(zāi)害。因此，利用先進(jìn)的洪水災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)，獲得準(zhǔn)確的洪水空間分布信息及動態(tài)變化，建立和利用多尺度洪災(zāi)評估指標(biāo)體系，進(jìn)行洪災(zāi)多尺度動態(tài)監(jiān)測與評估，完善超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害評估理論體系；創(chuàng)新流域、區(qū)域、局部不同空間尺度，結(jié)合近期、遠(yuǎn)期洪水風(fēng)險因素綜合考慮，提出系統(tǒng)的流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害評估方法；建立多尺度多防洪工程措施運用情景下洪水災(zāi)害影響模擬模型，開展流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水實時動態(tài)快速評估研究，大幅度提高流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水評估的精度、速度，達(dá)到實用化目標(biāo)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實踐意義。

1.4 超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度和風(fēng)險調(diào)控

洪水調(diào)度與風(fēng)險調(diào)控是流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害風(fēng)險管理理論及技術(shù)的重要組成，但目前，實測流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水較少。實時調(diào)度層面，受風(fēng)險評估及預(yù)報等不確定性影響，多種工程聯(lián)合調(diào)度及非工程措施聯(lián)合應(yīng)用下的風(fēng)險調(diào)控技術(shù)有待提高，現(xiàn)有方法和技術(shù)難以滿足超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度及防災(zāi)減災(zāi)需求。以往防洪調(diào)度手段多以在流域模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行“經(jīng)驗+分析”調(diào)度為主，與防洪精準(zhǔn)智能調(diào)度新要求、防洪保安降風(fēng)險減損失的新期盼存在不相適應(yīng)的地方。目前，數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展為提升防洪調(diào)度智能化程度提供了有力支撐，也為進(jìn)一步提升防洪智能決策支持水平提供了可能[32-34]。

為充分發(fā)揮防洪工程體系效益，以長江為例的流域管理機(jī)構(gòu)、大型水電公司等近年來組織各方開展了大量水工程聯(lián)合調(diào)度研究，并編制了流域水工程聯(lián)合調(diào)度方案和標(biāo)準(zhǔn)體系，基本實現(xiàn)了對流域洪水的科學(xué)調(diào)度和有效管理，明晰了防洪工程在大體系中扮演的角色和作用，并發(fā)展了多工程聯(lián)合調(diào)度耦合模型構(gòu)建理論[35-36]。但是，尚無法對多種工程類別的聯(lián)合調(diào)度規(guī)則[37]進(jìn)行有機(jī)集成或建立知識圖譜，在實時動態(tài)協(xié)調(diào)防洪工程體系的攔、分、蓄、排能力上，缺乏系統(tǒng)調(diào)度聯(lián)動性，急需進(jìn)一步提升調(diào)度方案信息化、規(guī)則化技術(shù)和能力。此外，工程調(diào)控為流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害演變提供了緩沖區(qū)，但洪水風(fēng)險依然存在，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水的防洪調(diào)度規(guī)則較為完善，衍生災(zāi)害相對可控，而流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水來勢兇猛，已超過流域安全防控設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，給流域防洪安全帶來巨大壓力，調(diào)度目標(biāo)已從盡可能降低河道水位轉(zhuǎn)變?yōu)楸M可能降低流域洪災(zāi)影響程度。由于受災(zāi)區(qū)的地域性和重要性存在差異，相同分洪量在不同受災(zāi)區(qū)造成的洪災(zāi)損失具有顯著區(qū)別，結(jié)合洪水發(fā)生、發(fā)展、致災(zāi)、消退等不同階段演變規(guī)律，根據(jù)災(zāi)害實時評估結(jié)果開展風(fēng)險調(diào)控，權(quán)衡“保與棄”的決策關(guān)系，是減少超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害影響的重要內(nèi)容。

由于流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險調(diào)控方案影響范圍大，影響因素多，時間方面具有累積效應(yīng)，需從流域?qū)用鏄?gòu)建綜合評價指標(biāo)體系，形成科學(xué)的調(diào)控與效果互饋關(guān)系，以改善流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險調(diào)控方案評價的適應(yīng)能力。目前，以往水庫(群)系統(tǒng)調(diào)度決策方案多針對風(fēng)險效益評價指標(biāo)的計算方法研究[38]，風(fēng)險與效益評價指標(biāo)體系構(gòu)建的研究還不夠完整[39-40]。實時調(diào)度中，防洪工程體系方案比選從本質(zhì)上來講是一個多目標(biāo)、多屬性、多輪次的決策過程[41]，而由于各調(diào)度目標(biāo)和價值函數(shù)之間相互影響制約以及不可公度，專家意見難以量化，無法形成客觀的調(diào)度優(yōu)化決策結(jié)果，導(dǎo)致決策過程帶有較強(qiáng)的主觀性[42-44]。此外，傳統(tǒng)決策方法處理此類問題時，難以挖掘歷史方案中所傳遞的信息，決策的智慧能力不足，難以吸收歷史調(diào)度方案中可借鑒的地方。

基于上述認(rèn)識，為了更加科學(xué)合理地處理超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險調(diào)控及實時調(diào)度決策與方案優(yōu)選問題，亟待根據(jù)水工程(包括水庫、蓄滯洪區(qū)等工程措施)實時調(diào)度方案優(yōu)選過程的特點，研究可均衡考慮多個目標(biāo)、多個工程種類組合的聯(lián)合調(diào)度方案多屬性決策方法，實現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)控實時調(diào)度風(fēng)險調(diào)控和方案的評價優(yōu)選。

1.5 超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持技術(shù)

防洪決策支持系統(tǒng)是防洪非工程措施的重要組成部分。國際上已形成較多成熟的商業(yè)軟件(如丹麥MIKE、荷蘭FWES、英國ICMLIVE等)并在多個流域成功運用；我國各大流域、各省市相繼開展了防汛決策支持系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作，取得了一些實用性與先進(jìn)性較好的成果。但這些系統(tǒng)業(yè)務(wù)多針對標(biāo)準(zhǔn)洪水，范圍主要集中于單個流域，缺少應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水的關(guān)鍵技術(shù)和功能模塊，普適性欠缺。超標(biāo)準(zhǔn)洪水情景下事件決策任務(wù)不確定性高，當(dāng)前系統(tǒng)多為定制化開發(fā)[45]，無法應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生時各種變化決策場景(如啟用洲灘民垸、蓄滯洪區(qū)等計算)的敏捷響應(yīng)需求。國外系統(tǒng)需要大量數(shù)據(jù)作為支持，在國內(nèi)的適用性較差，其專業(yè)模型也一般較難直接應(yīng)用于國內(nèi)各流域的具體研究和應(yīng)用環(huán)境，集成難，無法有效支撐超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)控業(yè)務(wù)計算需求；同時，因其產(chǎn)品體系高度封閉，無法在我國流域管理機(jī)構(gòu)開展快速集成和調(diào)用[46]。

綜上，目前無論是國際通用模型軟件還是我國已建洪水調(diào)度決策系統(tǒng)，尚不能滿足我國變化環(huán)境下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對需求，亟需突破流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對理論障礙及技術(shù)瓶頸，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適配性強(qiáng)的流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)。從規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、模型管理、動態(tài)業(yè)務(wù)敏捷響應(yīng)、決策會商動態(tài)配置等多個層次和角度出發(fā)，在整合集成精細(xì)預(yù)報及模擬、水工程智能調(diào)度及風(fēng)險調(diào)控、防洪避險轉(zhuǎn)移輔助服務(wù)等技術(shù)攻關(guān)成果基礎(chǔ)上，建設(shè)流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水決策模型與服務(wù)集成。

1.6 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對措施

風(fēng)險管理是現(xiàn)代防洪的重要理論依據(jù)，也是流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對需要遵循的原則，在世界各地廣泛應(yīng)用，除各項調(diào)度及調(diào)控技術(shù)體系外，還需要應(yīng)急預(yù)案等風(fēng)險管理保障機(jī)制，才能對洪水實施有效風(fēng)險管理。荷蘭、英國、瑞士等發(fā)達(dá)國家開展了大量防洪風(fēng)險管理研究，建立了較為完善的防洪風(fēng)險管理應(yīng)急預(yù)案和保障機(jī)制。我國在標(biāo)準(zhǔn)洪水上風(fēng)險管理應(yīng)對措施相對完善，但在應(yīng)對復(fù)雜多變、多角色協(xié)調(diào)的流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對措施的相關(guān)研究較少，防洪工程體系聯(lián)合運用防御超標(biāo)準(zhǔn)洪水的調(diào)度方案以及超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)案可操作性不強(qiáng)，避險手段落后，協(xié)同聯(lián)動機(jī)制不健全、風(fēng)險管理保障體系不夠完善，亟需完善。

基于“補(bǔ)短板”思路，現(xiàn)有流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對措施主要存在以下五大難題。

(1) 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水定義、劃分及應(yīng)對缺乏精準(zhǔn)性和針對性。在各大流域防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案中當(dāng)發(fā)生流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水時均劃分為I級應(yīng)急響應(yīng)。但是，受預(yù)報精度不確定性及預(yù)見期限制，一般情況下無法提前預(yù)判本場洪水是否為流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水，預(yù)案中的防洪應(yīng)急響應(yīng)措施缺乏足夠的針對性。在實時調(diào)度中對流域水庫、蓄滯洪區(qū)、堤防等防洪工程的運用范圍、運用程度、運用時機(jī)等存在預(yù)判的不確定性，相應(yīng)防洪工程體系聯(lián)合運用調(diào)度方案缺乏可操作性，在災(zāi)情范圍、人口轉(zhuǎn)移范圍等方面預(yù)判的不確定性，使得工程調(diào)度、應(yīng)急避險等非工程措施的高效性和精準(zhǔn)性受到一定限制。

(2) 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下工程運用能力亟待挖潛。隨著蓄滯洪區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，啟用蓄滯洪區(qū)的難度越來越大，對提高堤防工程、水庫運用潛力的期望越來越高。但是，大部分水工程特別是堤防、水庫工程等調(diào)度方案主要針對保護(hù)對象標(biāo)準(zhǔn)洪水的調(diào)度，在超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下如何科學(xué)利用流域防洪工程體系聯(lián)合調(diào)度，特別是如何提高防洪潛力等方面研究仍較為薄弱，亟待研究。

(3) 應(yīng)急避險技術(shù)亟待升級。應(yīng)急避險轉(zhuǎn)移是流域應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水的重要非工程措施，但是傳統(tǒng)的應(yīng)急避險技術(shù)存在對人群通知效率低、應(yīng)急響應(yīng)慢、安置轉(zhuǎn)移低效等問題[47-49]，特別是在人員流動大等新形勢下，給以往基于戶籍的人員轉(zhuǎn)移方式提出了新的挑戰(zhàn)。

(4) 防洪應(yīng)急管理機(jī)制與長效風(fēng)險管理機(jī)制亟需完善。2018年以來，我國實施水工程調(diào)度與應(yīng)急大部制改革，需要研究新常態(tài)下防洪應(yīng)急管理新機(jī)制及長效風(fēng)險管理新機(jī)制[50-52]。如何面對機(jī)構(gòu)改革現(xiàn)狀，建立健全洪災(zāi)應(yīng)急分布式管理體系，是流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急管理的研究重點。

(5) 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對措施體系亟待完善。我國七大流域均存在中下游人口密集、發(fā)展變化迅速，超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對問題突出的特點，在極端天氣條件下，現(xiàn)有理論和技術(shù)難以滿足在實時監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、災(zāi)害評估、風(fēng)險調(diào)控與綜合應(yīng)急等方面需求，面臨技術(shù)亟需提升和措施體系亟待完善等重大挑戰(zhàn)。

綜上，已有研究尚不能滿足我國變化環(huán)境下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對需求，亟需揭示變化環(huán)境下流域水文氣象極端事件演變規(guī)律及超標(biāo)準(zhǔn)洪水致災(zāi)機(jī)理，突破流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、災(zāi)害評估、風(fēng)險調(diào)控與綜合應(yīng)對等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對理論基礎(chǔ)、技術(shù)架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)體系，提升我國流域防洪減災(zāi)保障能力。

2 研究內(nèi)容

2.1 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

針對流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對在理論研究與技術(shù)運用中的重大需求、相關(guān)學(xué)科國際學(xué)術(shù)前沿以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，梳理出擬解決的3個關(guān)鍵科學(xué)問題和5項關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1.1關(guān)鍵科學(xué)問題

(1) 揭示變化環(huán)境下流域水文氣象極端事件演變規(guī)律與發(fā)展趨勢。揭示在氣候變化和人類活動影響下流域極端降水事件的時空演變規(guī)律，建立多模式集成的動力降尺度和誤差訂正模擬方案，預(yù)測未來極端降水事件發(fā)展趨勢；揭示天然洪水要素系列變化特征，研究氣候變化、下墊面變化及水利工程運用等綜合影響下極端洪水要素及其統(tǒng)計特征的變化規(guī)律及發(fā)展趨勢，解析非一致條件下洪峰與洪量、上游與下游等多維時空組合下流域設(shè)計洪水特性，預(yù)測未來氣候變化下流域極端洪水事件發(fā)生的可能性及量級。

(2) 揭示流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水響應(yīng)機(jī)理與致災(zāi)機(jī)理。界定流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水特征，揭示變化環(huán)境下流域極端降雨與超標(biāo)準(zhǔn)洪水的響應(yīng)機(jī)理，研究流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害形成機(jī)理。從洪水災(zāi)害鏈出發(fā)，研究其致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體變化情勢，揭示超標(biāo)準(zhǔn)洪水致災(zāi)機(jī)理及變化規(guī)律，為超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對提供理論依據(jù)。

(3) 建立流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害風(fēng)險管理理論與方法。提出多尺度災(zāi)害評估理論及方法，提出基于實時動態(tài)災(zāi)害評估的風(fēng)險綜合調(diào)控理論與方法。從災(zāi)前的風(fēng)險預(yù)防與減災(zāi)計劃、預(yù)警預(yù)報機(jī)制建設(shè)、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制建設(shè)、洪災(zāi)風(fēng)險轉(zhuǎn)移機(jī)制等入手，考慮流域隨時間變化的洪水本底風(fēng)險變化情況，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害全過程風(fēng)險管理的理論與方法。

2.1.2關(guān)鍵技術(shù)問題

(1) 研發(fā)流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水“空天地水”立體監(jiān)測與多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在常規(guī)接觸式水文應(yīng)急監(jiān)測手段基礎(chǔ)上，研發(fā)高洪及堤防潰口影像識別水位、流速自動監(jiān)測及流量分析推算技術(shù)，洪水淹沒監(jiān)測分析等非接觸式洪水要素監(jiān)測技術(shù)體系，建立“空天地水”超標(biāo)準(zhǔn)洪水多維組合式測洪體系，提出超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測技術(shù)指南，解決超標(biāo)準(zhǔn)洪水測不到、測不準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)難題。利用機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對二維流場及洪水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、清洗、同化、融合，提出基于規(guī)則自分析、自適應(yīng)的多源信息融合方法，提升洪水監(jiān)測要素收集傳輸速度和精度。

(2) 暴雨洪水預(yù)報預(yù)警及精細(xì)模擬。結(jié)合全球數(shù)值天氣預(yù)報模式、區(qū)域中尺度數(shù)值預(yù)報模式和快速更新循環(huán)同化技術(shù)，研究流域致洪暴雨0～7 d無縫隙定量預(yù)報技術(shù)，實現(xiàn)3～7 d流域暴雨過程趨勢預(yù)報、1～3 d暴雨定量降水預(yù)報、0～12 h短時強(qiáng)對流天氣的定量降水預(yù)報；以定量降雨預(yù)報作為輸入，結(jié)合流域水文學(xué)預(yù)報模型，研發(fā)物理模型試驗與數(shù)學(xué)模型相互驗證的潰口形成和發(fā)展模擬模型，揭示堤防潰決機(jī)理；結(jié)合典型流域地形地貌、河道形態(tài)等自然特性及堤、閘、堰、庫等多工程阻斷特性，構(gòu)建復(fù)雜地形河道工況條件下的河道-蓄滯洪區(qū)-潰堤超標(biāo)準(zhǔn)洪水演進(jìn)一二維水動力學(xué)耦合模型；根據(jù)氣象、水文、水力學(xué)以及防洪與調(diào)度控制性節(jié)點、河網(wǎng)及流域等要素，在現(xiàn)代預(yù)報技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，構(gòu)建氣象-水文-水動力學(xué)相結(jié)合、流域及關(guān)鍵節(jié)點相融合的洪水預(yù)報模型；在實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合洪水預(yù)報的不確定性特性，分層次、分級別考慮河道關(guān)鍵斷面、控制性水庫、重點防洪對象的防御洪水需求及預(yù)警閾值，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水判別方法，實現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生條件下的預(yù)報、預(yù)判、預(yù)警機(jī)制創(chuàng)新，為超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)報預(yù)警和調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。

(3) 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害動態(tài)評估與風(fēng)險調(diào)控。識別流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害多維風(fēng)險，結(jié)合流域洪水本底風(fēng)險隨時間變化特性，建立不同空間尺度流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害評估理論體系，構(gòu)建多尺度、多防洪工程措施下洪水模擬模型，結(jié)合超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害實時監(jiān)測技術(shù)與監(jiān)測信息，構(gòu)建面向超標(biāo)準(zhǔn)洪水全過程的時空態(tài)勢圖譜，實現(xiàn)多尺度流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害實時動態(tài)快速定量評估。結(jié)合流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水多主題場景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模擬發(fā)生器及洪災(zāi)風(fēng)險傳遞結(jié)構(gòu)特征分析技術(shù)，挖掘不同場景模式下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)控數(shù)據(jù)關(guān)系，提出不同防洪工程體系聯(lián)動響應(yīng)調(diào)度模型和動態(tài)風(fēng)險調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)基于災(zāi)害評估的流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險調(diào)控及方案智能優(yōu)選，解決流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險管理中的決策支持難題，提升流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度與風(fēng)險綜合調(diào)控能力，減少洪災(zāi)損失。

(4) 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急避險技術(shù)。立足解決防洪應(yīng)急避險中在風(fēng)險預(yù)判與通知、人群信息獲取、人群轉(zhuǎn)移安置、安置效果評估等方面手段有限、技術(shù)落后等關(guān)鍵問題，結(jié)合位置信息服務(wù)(LBS)人群屬性分析信息技術(shù)，提出基于實時反饋驅(qū)動的綜合應(yīng)急避險技術(shù)和解決方案。

(5) 多場景協(xié)同流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持。針對超標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下的洪水模擬及調(diào)度復(fù)雜性強(qiáng)、不可預(yù)見性高等問題，提出集預(yù)報預(yù)警、調(diào)度、災(zāi)害評估、風(fēng)險調(diào)控于一體的多組合敏捷響應(yīng)技術(shù)，集成超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對關(guān)鍵技術(shù)功能模塊，研發(fā)強(qiáng)適配性的多場景協(xié)同流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)。

2.2 主要研究課題

圍繞擬解決的3個科學(xué)問題及5項關(guān)鍵技術(shù)，采取多學(xué)科交叉、多手段結(jié)合，從基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、策略研究及應(yīng)用示范4個層次，設(shè)置6個課題開展研究。課題1是整個項目的研究理論基礎(chǔ)。課題2，3，4研發(fā)流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水的監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、調(diào)度模擬、災(zāi)害風(fēng)險評估與風(fēng)險調(diào)控技術(shù)，課題5研發(fā)流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)急技術(shù)并提出綜合應(yīng)對措施體系，為課題6超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度支持系統(tǒng)以及在典型流域開展應(yīng)用示范提供技術(shù)支持。項目各課題間邏輯關(guān)系見圖1。

圖1 課題之間邏輯關(guān)系Fig.1 Diagram of logical relationships between tasks

2.2.1基礎(chǔ)研究

課題1剖析流域極端降水事件時空變化規(guī)律及發(fā)展趨勢，揭示流域極端暴雨洪水響應(yīng)機(jī)理，研究氣候變化與水利工程綜合作用下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水演變規(guī)律，闡明流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水孕災(zāi)成因與致災(zāi)機(jī)理，預(yù)測氣候變化-人類活動聯(lián)合驅(qū)動下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水的發(fā)展趨勢，為超標(biāo)準(zhǔn)洪水科學(xué)應(yīng)對提供理論基礎(chǔ)。

2.2.2技術(shù)研發(fā)

課題2研究“空天地水”一體化、多源數(shù)據(jù)融合的超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測技術(shù)，攻克極端洪水及分洪潰口“測不到、測不準(zhǔn)”的難題；建立定量降雨預(yù)報模型，形成短中期無縫隙水文氣象耦合預(yù)報體系，提高暴雨預(yù)報精度；建立堤防潰決物理數(shù)學(xué)模型，研究揭示超高超泄條件下堤防潰決形成與發(fā)展機(jī)理；研發(fā)氣象水文水力學(xué)深度耦合、流域及關(guān)鍵節(jié)點相融合的超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)報預(yù)警技術(shù)，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)判及觸發(fā)應(yīng)急響應(yīng)的預(yù)警閾值，提升洪水預(yù)報水平，降低洪水預(yù)警不確定性。

課題3研究超標(biāo)準(zhǔn)洪水不同空間尺度災(zāi)害動態(tài)評估理論方法，利用基于遙感、雷達(dá)以及無人機(jī)等地面觀測技術(shù)，構(gòu)建“空天地水”一體化洪災(zāi)實時立體監(jiān)測技術(shù)體系，以此作為洪災(zāi)評估的輸入及驗證信息；應(yīng)用數(shù)值模型技術(shù)構(gòu)建不同空間尺度多防洪工程措施運用情景下洪災(zāi)影響模擬模型，建立面向超標(biāo)準(zhǔn)洪水演變?nèi)^程的時空態(tài)勢圖譜，研發(fā)超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害動態(tài)定量評估模型，實現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害動態(tài)評估及實時校正，提升洪災(zāi)評估的準(zhǔn)確性和時效性。

課題4通過研究多場景超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)控數(shù)據(jù)關(guān)系模型(結(jié)構(gòu)模擬發(fā)生器)，建立多位一體復(fù)雜防洪工程體系聯(lián)動響應(yīng)調(diào)度模型，提出基于調(diào)控與效果互饋機(jī)制的洪水風(fēng)險調(diào)控技術(shù)，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水多階段、多目標(biāo)綜合調(diào)控方案評價方法及智能優(yōu)選模型，形成基于災(zāi)害評估的流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險綜合調(diào)控技術(shù)體系。

2.2.3策略研究

課題5依據(jù)超標(biāo)準(zhǔn)洪水特征，結(jié)合防洪工程體系包括河道、水庫、蓄滯洪區(qū)等最大蓄泄洪水能力，研判流域防洪安全裕度，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急響應(yīng)等級劃分方法，提出提高工程防洪運用標(biāo)準(zhǔn)的分級組合應(yīng)急運用方式；研究基于人群屬性的動態(tài)反饋驅(qū)動應(yīng)急避險技術(shù)；研究提出超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急管理機(jī)制及災(zāi)前精準(zhǔn)預(yù)警、災(zāi)中高效應(yīng)對與災(zāi)后快速評估的實時風(fēng)險管理保障體系；針對預(yù)報→預(yù)警→調(diào)度→避險全過程，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對措施體系。

2.2.4決策支持系統(tǒng)集成示范

課題6圍繞超標(biāo)準(zhǔn)洪水決策業(yè)務(wù)學(xué)科交叉、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模型計算要求高、不確定性和時效性強(qiáng)等特點，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)等IT行業(yè)先進(jìn)技術(shù)，研究集預(yù)報預(yù)警、精細(xì)模擬、災(zāi)情評估、風(fēng)險調(diào)控和應(yīng)急避險于一體的超標(biāo)準(zhǔn)洪水全業(yè)務(wù)流程敏捷響應(yīng)技術(shù)，解決超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對多場景、多目標(biāo)、多對象的不同業(yè)務(wù)模塊快速搭建技術(shù)難題；基于統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)，集成前置課題專業(yè)模型成果，解決信息技術(shù)與防洪決策業(yè)務(wù)深度融合難點問題；研發(fā)流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水多場景協(xié)同調(diào)度決策支持和信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)與流域已有防汛指揮系統(tǒng)的集成與融合，嵌入式解決已有防汛指揮系統(tǒng)功能缺失或不足的問題，提升已有防汛指揮系統(tǒng)應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水的綜合能力。在不同氣候類型和工程格局、洪水災(zāi)害頻發(fā)、代表性較強(qiáng)的長江流域荊江河段、淮河沂沭泗流域、嫩江流域齊齊哈爾河段等典型流域開展示范應(yīng)用，實現(xiàn)理論技術(shù)研究成果的落地轉(zhuǎn)化。

3 研究方法與技術(shù)路線

以突破我國流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對的關(guān)鍵科學(xué)理論障礙和支撐技術(shù)瓶頸、提升應(yīng)對能力為總目標(biāo)，以變化環(huán)境下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水立體監(jiān)測-預(yù)報預(yù)警-洪水調(diào)度-災(zāi)害評估-綜合調(diào)控-應(yīng)急處置為主線，融合氣象學(xué)、水文學(xué)、水力學(xué)、災(zāi)害學(xué)、信息學(xué)、運籌學(xué)等多學(xué)科理論與前沿技術(shù)，采用現(xiàn)場調(diào)查、野外觀測、資料分析、理論推導(dǎo)、物模試驗、數(shù)模計算、綜合評估、流域示范等方法，采取理論與試驗、物模與數(shù)模、技術(shù)集成與示范應(yīng)用相結(jié)合的思路開展研究。

調(diào)研國內(nèi)外在監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警、調(diào)度、災(zāi)害風(fēng)險評估與調(diào)控等理論及技術(shù)前沿；開展氣候變化及水利工程影響下的超標(biāo)準(zhǔn)洪水演變規(guī)律及致災(zāi)機(jī)理研究，為超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對提供理論基礎(chǔ)；基于遙感遙測技術(shù)，研發(fā)堤防潰口洪水、洪災(zāi)實時監(jiān)測技術(shù)，為超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對提供數(shù)據(jù)支撐；構(gòu)建暴雨數(shù)值預(yù)報、堤防潰漫洪水演進(jìn)、多尺度洪災(zāi)評估、復(fù)雜工程體系調(diào)度、風(fēng)險調(diào)控及方案智能優(yōu)選等模型，為流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)報預(yù)警、調(diào)度、災(zāi)害評估及風(fēng)險調(diào)控提供計算工具；研發(fā)強(qiáng)適配性集成關(guān)鍵技術(shù)模塊的流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)，并在典型流域示范應(yīng)用，以檢驗和提升超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)對技術(shù)及措施體系能效。項目技術(shù)路線見圖2。

圖2 項目技術(shù)路線Fig.2 Project technical route

3.1 變化環(huán)境下流域水文氣象極端事件演變規(guī)律及超標(biāo)準(zhǔn)洪水致災(zāi)機(jī)理

針對超標(biāo)準(zhǔn)洪水演變規(guī)律及致災(zāi)機(jī)理認(rèn)知不足問題，運用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗、Morlet小波析法和泊松回歸等統(tǒng)計方法，分析流域極端降水事件強(qiáng)度和頻次的時空特征，揭示流域極端降水事件時空變化規(guī)律；基于動力降尺度和誤差訂正相結(jié)合，預(yù)測流域未來極端降水事件發(fā)展趨勢；采用水文非一致性診斷方法，揭示流域極端洪水的演變規(guī)律；采用流域水文模型和遙相關(guān)等方法，揭示變化環(huán)境下極端暴雨洪水響應(yīng)機(jī)理；基于還現(xiàn)/還原途徑和等可靠度原則，解析非一致性條件下設(shè)計洪水變化特性；結(jié)合Copula函數(shù)理論，構(gòu)建洪峰和洪量等多維水文極值變量的非一致性時變動態(tài)聯(lián)合分布函數(shù)，揭示多維時空組合下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水概率特征；采用氣象-水文耦合途徑，預(yù)估極端洪水的演變趨勢；基于災(zāi)害系統(tǒng)理論分析致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體的時空變化，提出超標(biāo)準(zhǔn)洪水的致災(zāi)機(jī)理。

3.2 變化環(huán)境下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測及預(yù)報預(yù)警

針對變化環(huán)境下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測及預(yù)報預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)問題，通過實驗與比測，綜合影像監(jiān)測、雷達(dá)側(cè)掃等非接觸式監(jiān)測技術(shù)，研發(fā)超標(biāo)準(zhǔn)洪水“空天地水”一體化立體實時監(jiān)測技術(shù)；利用機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提出基于規(guī)則自分析、自適應(yīng)的多源信息融合方法，提升洪水監(jiān)測要素收集傳輸速度和精度；采用物理試驗與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方式，研究堤防潰決形成與發(fā)展機(jī)理，研發(fā)堤防潰決模擬數(shù)學(xué)模型；構(gòu)建基于復(fù)雜地形河道工況條件下的超標(biāo)準(zhǔn)洪水演進(jìn)水文水動力學(xué)耦合模型；采用全球及區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報模式，基于變分同化技術(shù)和云分析技術(shù)，建立流域0～7 d無縫隙定量降水預(yù)報模型；構(gòu)建氣象-水文-水力學(xué)、流域關(guān)鍵節(jié)點相融合的超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)報模型；研究不同標(biāo)準(zhǔn)洪水下的預(yù)警指標(biāo)閾值，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水的預(yù)報、預(yù)判、觸發(fā)響應(yīng)的方法及機(jī)制。

3.3 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害動態(tài)評估

針對流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害動態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)，基于監(jiān)測、模擬、評估及反饋研究思路，研發(fā)基于衛(wèi)星、無人機(jī)和地面終端的協(xié)同洪災(zāi)監(jiān)測技術(shù)，為洪災(zāi)評估提供多尺度、全過程的信息服務(wù)；耦合不同空間尺度多防洪措施聯(lián)合運用情景洪水模擬，結(jié)合不同承災(zāi)體洪災(zāi)損失模型，實現(xiàn)流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水災(zāi)害動態(tài)定量評估；并基于GIS和VR技術(shù)，構(gòu)建洪水淹沒及災(zāi)害演變?nèi)^程的時空態(tài)勢圖譜。

3.4 流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度與風(fēng)險調(diào)控

針對流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度與風(fēng)險調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)問題，運用多場景模擬和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，挖掘流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險調(diào)控數(shù)據(jù)關(guān)系，構(gòu)建洪災(zāi)數(shù)據(jù)關(guān)系模型；以此為支撐，耦合拓?fù)鋵W(xué)理論和水庫調(diào)度理論，構(gòu)建防洪工程體系聯(lián)合調(diào)度模型；基于地理信息、災(zāi)害學(xué)、系統(tǒng)學(xué)等理論方法，提出超標(biāo)準(zhǔn)洪水風(fēng)險調(diào)控技術(shù)；運用智能優(yōu)化決策技術(shù)，實現(xiàn)對調(diào)度決策方案的智能排序和快速優(yōu)選。

3.5 極端天氣條件下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)急措施

針對極端天氣條件下流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)急措施關(guān)鍵技術(shù)問題，采用水文、水力學(xué)方法，研究流域防洪安全裕度，提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急響應(yīng)等級劃分方法；采用不確定性概率風(fēng)險分析、水文-水動力學(xué)-土力學(xué)模擬、成本效益等方法，分析在超防洪控制水位運行條件下的工程安全及防洪潛力；利用LBS技術(shù)，結(jié)合洪水淹沒演進(jìn)特征，研發(fā)基于實時人群屬性和熱力圖的應(yīng)急避險融合技術(shù)；應(yīng)用災(zāi)害學(xué)、管理學(xué)等理論，研究超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急管理機(jī)制及實時風(fēng)險管理保障體系；通過系統(tǒng)分析及理論總結(jié)，針對“預(yù)報→預(yù)警→調(diào)度→調(diào)控→避險”全過程需求，改進(jìn)提出流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水綜合應(yīng)急措施體系。

3.6 超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)集成與示范應(yīng)用

針對超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)集成與示范應(yīng)用，采用微服務(wù)、流式組態(tài)、應(yīng)用配置化架構(gòu)、現(xiàn)場示范等方法，基于前述課題研制的專業(yè)模型，研發(fā)多組合敏捷響應(yīng)技術(shù)，綜合集成多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的高性能訪問技術(shù)、多任務(wù)協(xié)同優(yōu)化技術(shù)與服務(wù)端同步技術(shù)、多對象聯(lián)動協(xié)同決策技術(shù)，建立多場景協(xié)同的超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)，在長江流域荊江段、淮河沂沭泗流域、嫩江齊齊哈爾段等示范應(yīng)用。

4 結(jié)論與展望

圍繞目前全球氣候變化和人類活動特別是流域水工程聯(lián)合調(diào)度運用影響下，我國流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水演進(jìn)規(guī)律及災(zāi)害全過程風(fēng)險管理理論與方法重新認(rèn)知、致災(zāi)機(jī)理揭示深度不足等三大關(guān)鍵科學(xué)問題，在超標(biāo)準(zhǔn)洪水“測不到、測不準(zhǔn)”，暴雨洪水預(yù)報精度不夠、預(yù)見期相對工程調(diào)度需求不足、不確定性高，災(zāi)害實時動態(tài)評估能力差、風(fēng)險調(diào)控技術(shù)落后、調(diào)度方案操作性不強(qiáng)、人群轉(zhuǎn)移避險手段落后、協(xié)同聯(lián)動機(jī)制不健全、決策支持系統(tǒng)普適性不強(qiáng)等方面的關(guān)鍵技術(shù)問題開展攻關(guān)。

研究成果將揭示變化環(huán)境下流域水文氣象極端事件演變規(guī)律及超標(biāo)準(zhǔn)洪水致災(zāi)機(jī)理，形成流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、調(diào)度、災(zāi)害風(fēng)險評估與綜合應(yīng)對技術(shù)體系，建立流域超標(biāo)準(zhǔn)洪澇災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)度決策支持系統(tǒng)，編制流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測、調(diào)度及應(yīng)急等技術(shù)規(guī)范，為國家應(yīng)對流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水提供成套解決方案，推動我國流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水全過程全要素綜合應(yīng)對的基礎(chǔ)理論和核心技術(shù)發(fā)展，提升流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對的科技水平與效率。